المغناطيسية

Magnetism

المغناطيس هو نوع من المعادن له القدرة لجذب الأشياء الحديدية, وقد تم أكتشاف حجر المغناطيس في منطقة مجنيسيا باليونان منذ حوالي 4000 سنة والتي يعتقد أن تسمية المغناطيس تنسب إليها. وهو موجود بالطبيعة بمادة المجنايت والمعادلة الكميائية له هي Fe₃ O₄ وهي واحدة من أكاسيد الحديد ويمكن كتبت معادلتها الكميائية أيضا في الصورة Fe O+ Fe₂ O₃. والمغناطيس الدائم المستخدم في معظم التطبيقات اليوم هو عبارة عن حديد تمت مغنطته, أو عبارة عن مغناطيس كهربائي وهو عبارة عن ملف لسلك حول قلب من الحديد يتحول إلى مغناطيس عند مرور التيار الكهربائي بالسلك.

يقوم المغناطيس بجذب الأجزاء الحديدية والتجاذب والتنافر مع مغناطيس أخر, وعند تعليقه تعليق حر نجد أن أحد أطراف العمود تتجه ناحية الشمال دائما.

للمغناطيس استخدمات متعددة, مثل رفع الأجزاء الحديدية بالرافعة المغناطيسية, كما يستخدم في العديد من الأجهزة والمعدات مثل أجهزة القياس, المحولات, الموتورات الكهربائية, المولدات, مكبرات الصوت, ذاكرة الكومبيوتر...

السلامة في التعامل مع المغناطيس والمجال المغناطيسي:

- لا توجد مشاكل مع المغناطيس المستخدم بالمنزل ولكن يمكن للمغناطيس إتلاف المعلومات الموجودة على القرص الصلب للحسوب, وشرائط التسجيل, وما شابه في حالة تواجده بالقرب منها. ولهذا يجب حفظ المغناطيس بعيد عن تلك الإجزاء.

- يتكون مجال مغناطيسي حول الأسلاك والأجهزة الكهربائية عند مرورتيار كهربائي بها, هذا المجال يطلق عليه المجال الكهرومغناطيسي. يتناسب مقدار المجال الكهرومغناطيسي طرديا مع شدة التيار المار بالمصدر وعكسيا مع بعد المسافة بين المصدر والمتلقي. وعموما فإنه بالبعد عن المصدر مسافة 30 سم فإن المجال المغناطيسي المحيط بالاجهزة المنزلية ينخفض بأكثر من 100 مرة من الحد المسموح به (حد السلامة). حد السلامة للإنسان للتعرض للمجال المغناطيسي هو (100 μT للتردد 50 Hz, 83 μT للتردد 60 Hz) للتيار المتردد. 

- المجال المغناطيسي الناجم من خطوط الضغط العالي Electromagnetic fields (EMF):

عندما يكون هناك كهرباء, سيكون هناك مجلات كهربائية ومغناطيسية, خطوط قوة غير مرئية تتكون نتيجة الشحنة الكهربائية.

يعتمد المجال الكهربائي على جهد التيار ويقاس بفولت لكل متر V/m أو كيلوفولت لكل متر kV/m. ويعتمد المجال المغناطيسي على مقدار الشحنة أو التيار الكهربائي  ويقاس بوحدة الجوس G  أو تسلا T. شدة المجال الكهربائي والمغناطيس تضعف بالبعد عن مصدر المجال.  وتسبب حسب اعتقاد الباحثين بالإصابة بأورام المخ وسرطان الدم, وتسبب الإجهاض, عند التعرض لها بتركيز عالي أو لمدة طويلة.

يتعرض الأنسان لجرعة عالية من الموجات الكهرومغناطيسية بالقرب من خطوط الضغط العالي,	تؤدي الموجات الكهرومغناطيسية المارة بجسم الأنسان إلى رفع درجة حرارة خلايا الجسم المارة من خلاله مما يسبب مشاكل صحية.

أستخدامات المغناطيس:

يستخدم المغناطيس في العديد من التطبيقات المختلفة في مجالات الحياة المختلفة نذكر منها على سبيل المثال:

- البوصلة

- المولد و الموتور الكهربائي

- أجهزة القياس الكهربائي

- أجهزة التسجيل (الصوت, الفيديو, أقراص الحسوب)

- البطاقات المغناطيسية

- شاشات التليفزيون والحسوب

- السماعات والمكيروفونات

- الجيتار الكهربائي

- القطار المغناطيسي

خواص المغناطيس:

1	جذب الأشياء الحديدية (تسمى المواد التي يجذبها المغناطيس بالمواد المغناطيسية)
2	عند تعليق المغناطيس تعليق حر يتجه أحدى أطراف المغناطيس إلى الشمال, , ولهذا يسمى هذا القطب بالقطب الشمالي (N) ويسمى القطب الأخر بالقطب الجنوبي (S).
3	المغناطيس له قطبين شمالي N, وجنوبي S, تزداد قوة جذب المغناطيس للمواد الحديدية بالقرب من طرفيه. قوة جذب القطبين تكون متساوية.
4	تنافر وتجاذب قطبي المغناطيس, تتنافر الأقطاب المتشابها وتتجاذب الأقطاب المختلفة. قوة التجاذب أو التنافر بين القطبين تتناسب عكسيا مع مربع البعد بينهما.
5	قوة المغناطيس تنفذ عبر المواد الغير مغناطيسية, ولا تنفذ عبر المواد المغناطيسية.
6	لا يمكن عزل القطب الشمالي عن القطب الجنوبي لعمود المغناطيس مهما تعددت مرات تقسيم المغناطيس.
7	يوجد خطوط مجال مغناطيسي حول عمود المغناطيس تتجه من الشمال إلى الجنوب على شكل دوائر. هذه الخطوط غير مرئية ويمكن الكشف عنها عن طريق برادة الحديد أو إنحراف البوصلة.
8	عند مرورتيار كهربائي في سلك يتولد حول ذلك السلك مجال مغناطيسي, (قاعدة اليد اليمنى المنقبضة) تبين إتجاه المجال.
9	مكن مغنطة عمود من الحديد عن طريق الدلك بعمود مغناطيسي في إتجاه واحد, أو باستخدام ملف يمر به تيار كهربائي, أو الطرق عليه والعمود يتجه ناحية الشمال.
10	يفقد المغناطيس مغنطة بالطرق الشديد, والتسخين, وكذلك بالكهرباء.
11	هناك علاقة بين (التيار الكهربائي- الحركة- مجال مغناطيسي) (موتور) تيار كهربائي + مجال مغناطيسي = حركة/ قوة  (مولد) حركة/ قوة + مجال مغناطيسي = تيار كهربائي

المجال المغناطيسي

Magnetic Field

المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي هما نظائر متبادلة لشئ واحد, يسمى المجال كهرومغناطيسي.

وحدة قياس المجال المغناطيسي هي تسلاtesla (T) . واحد تسلا  (1 T) هو مقدار المجال المجال المغناطيسي الذي أذا مرمن خلاله جزئي يحمل شحنة كهربائية واحد كولوم (1 C) بسرعة عموديه على المجال مقدارها واحد متر في الثانية (1 m/s), فإنه يتعرض لقوة مقدارها واحد نيوتن (1 N), تكون عمودية على كلا من المجال المغناطيسي وسرعة الجزئ.

تسلا tesla هي وحدة مشتقة من الوحدات الأساسية والوحدات الأخرى كالتالي:

حيث:

A = أمبير (ampere)

C = كولوم (coulomb)

m = متر (meter)

N = نيوتن (newton)

s = ثانية (second)

V = فولت (volt)

* وحدة قياس المجال تسلا T  تعتبر وحدة ذات قيمة كبيرة بالنسبة لقيم المجال المتعارف عليها, ولهذا تستخدم أجزاء من تلك الوحدة مثل ميكرو تسلا μT أو نانو تسلا nT. أو قد تستخدم أجزاء عشرية من قيمتها  x10^-5 T ….. وقد تستخدم وحدة جوس gauss G  لقياس المجال المغناطيسي.

1 G = 1 X 10^-4 T = 100 μT

* يقاس المجال المغناطيسي بجهاز يسمى جوس ميتر EMF Meter (Gauss Meter)

مصادر المجال المغناطيسي:

المجال المغناطيسي للكرة الأرضية

خطوط الضغط العالي للكهرباء

إجهزة فحص الركاب بالمطار

أعمدة إرسال واستقبال إشارة الجوال

الجوال, الحاسب

الأجهزة الكهربائية المنزلية

المجال مغناطيسي للكرة الأرضية:

للكرة الأرضية مجال مغناطيسي ناشئ من مغناطيس الأرض, حيث يقع القطب الجنوبي المغناطيسي عند القطب الشمالي الجغرافي للكرة الأرضية, والقطب الشمالي المغناطيسي يقع عند لقطب الجنوبي الجغرافي للكرة الارضية. ولهذا يتجه القطب الشمالي للأبرة المغناطيسية ناحية القطب الجنوبي المغناطيسي (القطب الشمالي الجغرافي للإرض). ويحيط بالارض مجال مغناطيسي ناتج من مغناطيس الكرة الأرضية مقداره  31μT (3.1 x 10^-5 T)عند سطح الأرض بخط الاستواء.

لا ينطبق محور مغناطيس الكرة الأرضية  مع المحور الجغرافي الواصل من القطب الشمالي للقطب الجنوبي تماما. أنما يكون هناك فرق بين إتجاه القطب الشمالي لعمود المغناطيس بالبوصلة والقطب الشمالي الفعلي للأرض.

تستخدم الطيور والأسماك المجال المغناطيسي للأرض لتحديد مسار الهجرة خلال الفصول المختلفة. وكذلك يستخدمها الحمام الزاجل لتحديد مكان إقامته, والرجوع إليها من مسافات بعيدة.

المجال المغناطيسي الناتج من مرور تيار في سلك:

تم في القرن19 أكتشاف العلاقة بين التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي, حيث يؤدي مرور التيار الكهربائي في سلك إلى إنحراف إبرة البوصلة الوضوعة بجانب السلك, مما يظهر تكون مجال مغناطيسي حول السلك نتيجة مرور التيار. وإنه أثناء مرور تيار كهربائي في أسلاك متقاربة فإنه نتيجة تولد مجال مغناطيسي حول الأسلاك تظهر قوة تنافر وتجاذب بين تلك الأسلاك (قوة تجاذب بين الأسلاك التي يمر بها تيار معاكس في الاتجاه, وقوة تنافر بين الأسلاك التي يمر بها تيار مماثل في الاتجاه).

قيم المجال المغناطيسي:

· شدة المجال للمغناطيس الأرضي عند سطح الأرض (عند خط الاستواء) 31 μT (3.1x10^-5 T),

· شدة المجال المغناطيسي للمخ البشري 10^-9 – 10^-8 G

الجدول التالي يبين قيم المجال الكهرومغناطيسي للأجهزة الكهربائية المنزلية:

الأجهزة الكهربائية	مقدار المجال المغناطيسي (ميكرو تسلا) على بعد مسافة
	3 سم (μT)	30 سم (μT)	1 متر (μT)
مجفف الشعر	6 - 2000	0.01 - 7	0.01 – 0.03
الحلاقة الكهربائية	15 - 1500	0.08 - 9	0.01 – 0.03
المكنسة الكهربائية	200 - 800	2 - 20	0.13 – 2
لمبة فلورسنت	40 - 400	0.5 - 2	0.02 – 0.25
فرن ميكروويف	73 - 200	4 - 8	0.25 – 0.6
الفرن الكهربائي	1 - 50	0.15 – 0.5	0.01 – 0.04
الغسالة الكهربائية	0.8 – 50	0.15 - 3	0.01 – 0.15
كومبيوتر	0.5 – 30	> 0.01
تليفزيون ملون	2.5 - 50	0.04 - 2	0.01 – 0.15
* قوة المجال المغناطيسي على بعد 30 سم لجميع الأجهزة الكهربائية أقل من الحد المسموح للاستخدام للعامة 100 μT

القوة المغناطيسية

Magnetic Force

أ- القوة المغناطيسية المؤثرة من مجال مغناطيسي على جزئ يتحرك داخل المجال:

عندما يتحرك جزيء يحمل شحنةq  في مجال مغناطيسي B بسرعة مقدارها v تتولد قوة مغناطيسية  F_B عمودية على كلا من سرعة الجزئ والمجال المغناطيسي, وتتناسب مع شدة المجال,  هذه القوة تسمى قوة لورنتز Lorentz force ويمكن تحديد اتجاه القوة بتطبيق قاعدة اليد اليمنى المنبسطة. العلاقة بين القوة والمجال وسرعة الشحنة يحصل عليها عن طريق ضرب المتجهات كالتالي:

F_B = qv x B

ويكون مقدار تلك القوة المغناطيسية

F_B = q v B sin θ

وتكون اقصى قيمة للقوة المؤثرة عندم تكون اتجاه سرعة الشحنة عمودية على المجال(θ = 90^o):

F_{B max}  = q v B

عندما تكون الشحنة ثابتة أو إنها تتحرك موازية للمجال المغناطيسي فإن القوة المؤثرة تكون صفر:

 F_B = 0

حيث:

F_B = متجه القوة المغناطيسية,  F_B = القوة المؤثرة على الجزئ (نيوتن- newton N)

 v = متجه سرعة الجزئ, v = سرعة اللحظية للجزئ (متر/ث- m/s)

B = متجه المجال المغناطيسي, B = مقدار المجال المغناطيسي  (تسلا- tesla T)

q = الشحنة الكهربائية (كولوم- Coulomb C)

θ = الزاوية بين متجه السرعة ومتجه المجال

ب- القوة المغناطيسية المؤثره من مجال مغناطيسي على سلك واقع داخل المجال  ويمر به تيار كهربائي

 الشحنة الكهربائية في حالة التيار الكهربائي المار بالسلك تساوي:

q = en (LA)

حيث:

A = مساحة السلك (m²)

L = طول السلك (m)

AL = حجم السلك(m³)  

n = عدد الشحنات  في وحدة الحجوم

e = قيمة مقدار الشحنة  (C)

مقدار القوة المؤثرة على سلك يمر به تيار:

F_B = qv B sin θ

F_B = en (LA) v B sin θ

أيضا تكون مقدار القوة المغناطيسية:

F_B = q (L/t) B sin θ = (q/t) L B sin θ = I L B sin θ

أي أن القوة المغناطيسية المؤثرة على السلك يقع في مجال مغناطيسي ويمر به تيار كهربائي

F_B = I L B sin θ,

وتكون مقدار القوة القصوى F_{B max} = I L B في حالة (θ = 90^o).

شدة المجال المغناطيسي

Magnetic Field B

1 tesla = 1  (newton)/(coulomb x m/s)

1 tesla = 1 (newton)/[(coulomb/s) x m]

1 tesla = 1 (newton)/(ampere x m)

وتكون وحدة شدة المجال المغناطيسي تسلا tesla T كالتالي:

1 T = 1 N/(A m)

 * تعريف تسلا:

هي شدة المجال المغناطيسي الذي يؤثر بقوة مقدارها 1 نيوتن على سلك طوله 1 متر يمر به تيار مقداره 1 أمبير.

تعتمد قوة المجال F_B (N) المؤثرة على سلك:

1- شدة التيار I (A)

2- طول السلك L (m)

3- شدة المجال B (m)

F_B = I x L x B

1 N = 1 A x 1 m x 1 T

1 T = 1 N/(A m)

قاعدة اليد اليمنى right hand rule:

اليد اليمنى المنقبضة

اليد اليمنى المنبسطة

يتجه الأبهام ناحية اتجاه التيار أو اتجاه سرعة الشحنة, والسبابة او مجموعة الاصابع إتجاه خطوط المجال والأصبع الأوسط أو راحة اليد لإتجاه القوة المجال المؤثرة على الشحنة أو السلك.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magcur.html

المجال المغناطيسي الناشئ عن تيار كهربائي )قانون أمبير(  Magnetic field due to a current:

1) سلك مستقيم (طويل∞) Long Straight wire:

التعبير الرياضي عن شدة المجال المغناطيسي الناشئ بسبب مرور تيار كهربائي مقداره (I), في سلك طويل, وعلى مسافة منه مقدراها (R).

2) سلك على شكل حلقة دائرية (عروة) Current Loop:

التعبير الرياضي عن شدة المجال المغناطيسي الناشئ بسبب مرور تيار كهربائي مقداره (I), في سلك على شكل حلقة نصف قطرها (r). نفس التطبيق السابق

3) سلك على شكل ملف حلقي Toroid:

التعبير الرياضي عن شدة المجال المغناطيسي الناشئ بسبب مرور تيار كهربائي مقداره (I), في ملف حلقي toroid  نصف قطره (r). حيث N عدد اللفات الكلية التطبيقات: رأس المسجل للشريط المغناطيسي

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/toroid.html

4) سلك على شكل ملف حلزوني Solenoid:

التعبير الرياضي عن شدة المجال المغناطيسي الناشئ بسبب مرور تيار كهربائي مقداره (I), في ملف حلزوني solenoid  عدد لفاته بالنسبة لوحدة الطول من السلك n. B = μo I n حيث n = عدد لفات السلك في وحدة الطول من السلك        = (كثافة اللفات) turn density  N/L N = عدد لفات السلك Number of turns L = طول الملف solenoid length
التطبيقات:  المفتاح الكهرومغناطيسي للدائرة الكهربائية Electromagnetic Relay

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/solenoid.html

* _O μ مقدار ثابت يسمى ثابت المغناطيس (ثابت النفاذية- (permeability constant

μ_o  = 4 π x 10^-7 T m/A

 μ_o  =1.26 x 10^-6 T m/A

القوة المتبادلة بين سلكين طويلين يمر بهما تيار كهربائي Interacting force between two parallel wires

سلكين طويلين جدا a, b تفصلهما عن بعضهما مسافة مقدراها d ويمر بهما تيار Ia, Ib بالترتيب. و L هي الطول المؤثر من السلكين, وعليه يكون مقدار القوة المغناطيسية بينهما هي * السلكان المتوازيان (لهما نفس إتجاه التيار) يجذبان بعضهما البعض, أما السلكان المتوازيان (لهماعكس إتجاه التيار) فإنهما يتنافران.
تعريف الأمبير A عند مرور تيار مقداره 1A في سليكن يبعدان عن بعضهما مسافة d = 1 m فإن القوة المؤثرة نتيجة تولد مجال مغناطيسي بين طول مشترك بينهما يساوي L= 1m,  تساوي 2 x 10^-7 N
التطبيقات: الموتور الكهربائي المولد الكهربائي اجهزة القياس الكهربائية (جلفانوميتر)